PCB設計中的阻抗簡(jiǎn)介

隨著(zhù) PCB 信號切換速度不斷增長(cháng)，當今的 PCB 設計廠(chǎng)商需要理解和控制 PCB 跡線(xiàn)的阻抗。相應于現代數字電路較短的信號傳輸時(shí)間和較高的時(shí)鐘速率，PCB 跡線(xiàn)不再是簡(jiǎn)單的連接，而是傳輸線(xiàn)路。
什么是控制阻抗？
可能最常見(jiàn)的控制阻抗組件示例是連接無(wú)線(xiàn)設備或電視接收天線(xiàn)的饋線(xiàn)。天線(xiàn)饋線(xiàn)通常使用“扁平雙纜”的線(xiàn)纜形式（一般隨 VHF 廣播接收器提供）或低衰減的同軸電纜。無(wú)論采用哪一種形式，饋線(xiàn)的阻抗都是由物理尺寸和線(xiàn)纜材質(zhì)控制的。
您可以將 PCB 跡線(xiàn)當做較短的線(xiàn)纜，它們精確的布放在線(xiàn)路板上連接板上安裝的各個(gè)設備，其中的 PCB 跡線(xiàn)類(lèi)似同軸電纜內部的導體，承載信號并與其返回線(xiàn)路（本例中是接地層）通過(guò)線(xiàn)路板疊層板絕緣。在微波傳輸帶配置下，這一情況如圖 中的交叉部分所示。
跡線(xiàn)寬度 W 和 W1、厚度 T 和疊層板高度 H 以及絕緣常數 Er 都必須嚴格控制。表面上的焊點(diǎn)將略微減小阻抗，因此經(jīng)常采用如圖 顯示的更加容易預測的帶狀線(xiàn)配置。
為什么需要控制阻抗？
接收天線(xiàn)擁有自然的或特性阻抗，電子理論表明為了使用天線(xiàn)將最大的功率傳輸給接收器（確保電子信號的完整性），饋線(xiàn)和接收器的阻抗都應該和天線(xiàn)相匹配。換而言之，在信號從其來(lái)源到目標的傳輸過(guò)程中，信號阻抗在理想情況下應該表現為常量。如果出現不匹配的情況，則將只能發(fā)送部分信號，其余的信號將被反射回到信號源（使信號減弱）。線(xiàn)纜設計廠(chǎng)商因此要特別確保線(xiàn)纜長(cháng)度和材質(zhì)特性的精度和一致性。使用較高的信號切換速度，必須考慮線(xiàn)纜的電子屬性，例如電容和電感系數，而且也不能將線(xiàn)纜視為簡(jiǎn)單的導線(xiàn)。設計用于高速信號的線(xiàn)纜時(shí)考慮了這些因素的相應線(xiàn)纜應該稱(chēng)為傳輸線(xiàn)路。
PCB 上的控制阻抗
同樣，隨著(zhù) PCB 上的信號切換速度的不斷增長(cháng)，承載信號的跡線(xiàn)的電子屬性將變得愈加重要。PCB 跡線(xiàn)的阻抗由以下因素控制
        ● 配置
        ● 尺寸（跡線(xiàn)寬度和厚度、線(xiàn)路板材質(zhì)的高度）
        ● 線(xiàn)路板材質(zhì)的絕緣常數

在使用線(xiàn)纜時(shí)，當信號遇到由材質(zhì)或幾何尺寸上的改變引起的阻抗變化時(shí)，部分信號將被反射回去，部分信號被傳送到目標。這些反射可能導致信號失常，進(jìn)而降低電路的性能（例如低增益、噪聲和隨機錯誤。）線(xiàn)路板設計廠(chǎng)商在實(shí)際中將指定線(xiàn)路板跡線(xiàn)的阻抗值和誤差，并依靠 PCB 制造商來(lái)遵循相應的規范。
測試 PCB
大部分控制阻抗的 PCB 要經(jīng)歷 100% 的測試。但是，對于不容易檢測到的 PCB 跡線(xiàn)來(lái)說(shuō)則比較困難。此外，跡線(xiàn)可能很短，并且可能包括許多分支，要精確地測試阻抗非常困難。出于測試目的添加額外的線(xiàn)路將會(huì )影響性能并占用線(xiàn)路板空間。PCB 測試因此通常在集成到 PCB 面板上的一兩個(gè)測試試樣上執行，而不是在 PCB 本身之上。試樣具有和主 PCB 相同的分層和跡線(xiàn)構造，同時(shí)和 PCB 的阻抗相同，這是非常精確的。進(jìn)而測試試樣就足以確定線(xiàn)路板的阻抗是否正確了。
測量控制阻抗
阻抗測量通常使用時(shí)域反射計 (TDR) 來(lái)完成。TDR 通過(guò)控制阻抗線(xiàn)纜和探針向試樣應用快速電壓步長(cháng)。任何脈沖微波中的反射都將顯示在 TDR 上，并且表示阻抗值的變化（稱(chēng)為不連續性。）TDR 可以表明不連續性的位置和幅度。使用適當的軟件，TDR 可以繪制試樣的測試跡線(xiàn)長(cháng)度上的阻抗圖。所生成的跡線(xiàn)特性阻抗的圖形化表示將允許在生產(chǎn)環(huán)境中執行此前所述的復雜測量。